盾构近距离穿越高架桩基的施工影响与保护措施

李新星，杨志豪

（上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海 200235）

1 引 言

在城市道路隧道或地铁建设中，尤其是在软土地层中，由于盾构法施工具有效率高、机械化程度高、对地层适应能力强及有效控制地面变形等优点，得到了广泛的应用。城市的高层建筑、高架桥梁等建筑众多，且基础一般都有桩基础，因此在盾构施工过程中经常会有从桩基附近穿越的情况发生，将会对周围土体产生扰动，改变桩周土体的应力状态，也会影响桩基础的变形与受力，有可能导致上部建筑物的开裂或破坏等。因此需要在盾构穿越过程中采取有效措施保护桩基，同时对盾构推进的施工质量也提出了较高的要求。

目前分析盾构施工对周围环境的影响，主要采用简化理论分析、数值模拟与实测数据相结合，重点分析盾构施工对地表沉降、上部建筑、隧道沉降等地下工程的影响[1－7]。在此施工过程中通常是通过严格控制盾构机施工参数、即时采取壁后注浆等手段进行控制。但是，对于大盾构近距离在多个桩基间往返穿越的情况，桩基保护要求严格，如何保证盾构施工不会对桩基产生破坏和如何对桩基进行保护确保上部正常运营的高架桥或地铁不受影响，这方面的研究较少。因此，非常有必要开展这方面的研究。

本文结合上海长江西路隧道近距离往返穿越逸仙路高架和地铁3号线高架的实际工程，采用数值计算分析和现场实测的方法，研究大直径盾构近距离多次穿越对道路高架桩基的影响以及桩基的加固保护措施，进而评估加固措施的保护效果。

2 问题提出

2.1 工程背景

上海长江西路越江隧道工程规模为双管6车道盾构法隧道，采用外径为φ15.43 m泥水盾构进行掘进施工。工程全长共4 912 m，隧道主线长2 792 m（以北线计）。圆隧道外径为15 m，管片厚0.65 m，环宽2 m。盾构施工阶段将往返两次近距离分别穿越逸仙路和轨道交通3#线的高架桩基，如图1所示。两高架桥墩间的跨距均约为22 m，逸仙路高架桩基桩长约32 m，隧道与桩基的最小净距约1 m，3#线高架桩基的桩长约60 m，隧道与桩基的最小净距约1.7 m。隧道顶覆土厚约16 m。

图1 盾构隧道与两高架桩基平面图（单位：mm）Fig.1 Layout of tunnel and pile foundation(unit: mm)

2.2 桩基保护的问题描述

隧道施工过程中会依次往返两次穿越逸仙路高架和轨道交通3#线，且盾构机外壳离下部桩基的距离最小为1 m，均不符合相关工程保护条例的要求，同时在施工过程中既要保证盾构能够顺利穿越两处桩基，也要保证上部的逸仙路高架和轨交3#线的正常运营。为了能更好地保护2个高架桥桩基，本文借助数值模拟手段预分析盾构施工对周边高架桩基的影响，通过对比无任何保护措施与 MJS保护措施，分析采用加固措施的必要性、合理的加固范围以及加固效果，以指导工程的实际应用。

2.3 数值计算模型

建模范围为隧道、桩基及周围一定范围的土体，其范围满足模拟土体的半无限体特性。隧道衬砌与周围土体的相互作用采用注浆层薄弱单元模拟，同时考虑桩土之间的共同接触作用。土体本构关系采用D-P模型，结构采用线弹性模型，土体的参数见表1，三维有限元模型见图2。

表1 土层材料力学参数Table 1 Mechanical parameters of soils

图2 数值计算结构模型Fig.2 Numerical model of structure

注浆材料按照最不利情况考虑，取盾构推进后管片安装完毕并及时进行壁后注浆时浆液的力学参数作为计算参数。盾构隧道管片结构采用C60混凝土。轨交3#线桩基为直径为600 mm的PHC管桩，承台采用C25混凝土，上部承受荷载约为1 360 t。逸仙路高架桩基采用450 mm×450 mm的预制方桩，采用C40混凝土，上部承受荷载约为1 550 t。

2.4 施工工况模拟

按照不考虑桩基加固和考虑桩基 MJS加固两种情况，分别模拟。根据施工先后顺序，对于不考虑桩基加固的情况，可大致分以下几个阶段：① 地表土体的初始自重应力场计算，位移清0；② 逸仙路高架和地铁3#线高架桩基施工与桥墩荷载作用，位移清0；③ 南线盾构施工，逐渐靠近并在逸仙路高架Pm11和Pm12桩基之间掘进，穿越后在轨交3#线高架PII007和PII008之间掘进，穿越后远离高架完成南线施工；④ 北线盾构施工，逐渐靠近并在轨交3#线高架PII009和PII0010之间掘进，穿越后在逸仙路高架Pm9和Pm10桩基之间掘进，穿越后远离高架完成北线施工。

对于考虑桩基MJS加固的情况，在第②、③阶段中增加对穿越时相邻的两高架桩基的MJS加固。采用MJS桩基加固，在数值模拟中是通过强化土体参数来实现。

3 盾构近距离穿越对高架桩基的保护措施分析

3.1 盾构直接穿越桩基分析

由于轨交3号线高架桩基的运营与保护要求相对逸仙路比较高，以其为例，分别截取盾构南线穿越和北线穿越过程中承台沿线地表产生最大位移时的模型剖切面，绘制盾构推进过程中地层损失率由6‰减小为 4‰时对应的地表沉降曲线，如图 3所示，结果对比见表2。

图3 不同地层损失率对应的地表沉降曲线Fig.3 Ground settlements in different stratum loss rate

表2 盾构直接穿越桩基的计算结果对比Table 2 Comparison of results in directly crossing case

由以上结果可见，通过控制壁后注浆减小盾构机穿越时的地层损失率，可以明显减低地表的沉降，同时也可改善承台的沉降值。按照对地表最大沉降20 mm的控制要求，直接穿越不能满足变形控制要求。故提出在控制地层损失率为 4‰的基础上，对桩基两侧进行MJS加固的保护措施。

3.2 桩基MJS保护措施分析

桩基 MJS加固措施为在盾构穿越桩基的相邻两侧，分别在承台外侧0.5 m处，从地表开始到隧道底3 m范围的深度进行MJS加固保护。为了减小在MJS施工时对桩基的影响，利用MJS施工工艺的特点，采取MJS背向桩基的喷射加固方式，加固宽度采取两种方案。方案 1：半幅宽加固，加固宽度为1.2 m，方案2：一幅宽加固，加固宽度为2.4 m。

在模拟计算中对 MJS加固宽度按照面积等效原则进行了换算。从承台顶到地下的MJS加固深度约为35 m。考虑到MJS喷浆选背离桩基方向，故此次计算未考虑MJS施工对周边桩基的扰动影响，只分析MJS加固土硬化后的情况。两种工况的MJS加固方案如图4所示。

图4 MJS加固方案与加固范围Fig.4 Plot of MJS reinforcement measure and range

轨交3#线高架桩基在盾构推进过程中，将地层损失率控制为4‰时，在将桩基先进行MJS不同范围加固后，再进行盾构南北线穿越，得到的剖切面在不同施工过程对应的地表与桩基的沉降曲线，将MJS加固保护后的4种工况下地表变形情况如图5所示，对比结果见表3。

对进行MJS加固后4条曲线结果的对比可知，在桩基两侧先进行MJS加固保护桩基，对控制地表沉降和承台的沉降效果比较明显。由于隧道距离两侧桩基的距离一定，增加MJS加固宽度仅是增加了盾构机对加固体的切削面积，但并不能改变盾构机距离桩基净距间的加固宽度。MJS加固1.2 m宽即可将地表和桩基基本控制在保护要求的范围，MJS加固2.4 m宽后计算得到的最大地表沉降并未出现在隧道上方，而是出现在远离桩基的地表，且MJS加固宽度的增加对桩基和地表沉降的控制效果不显著，故在实际施工中选用MJS加固半幅宽1.2 m作为本工程的桩基保护措施。

图5 不同MJS加固范围对应的地表沉降曲线Fig.5 Ground settlements in different reinforcement ranges

表3 MJS加固后盾构穿越桩基的计算结果对比Table 3 Comparison of results in using MJS reinforcement measure case

3.3 盾构穿越后桩基承载力分析

考虑到盾构与高架桩基的距离很近，盾构穿越过后靠近隧道一侧的桩基侧摩阻力有不同程度的损失，会影响桩基的承载力。根据《建筑桩基技术规范》估算高架桩基的单桩极限承载力和盾构穿越后侧摩阻力的损失及桩基的竖向承载力是否满足要求[8]，计算中预制桩和PHC桩需要用到的参数等见表4。

逸仙路高架桩基的持力层⑥层为粉质黏土，3号线高架桩基的持力层⑨1层为粉细砂，插入深度为1 m。盾构穿越过后靠近隧道一侧的一排桩，基于偏安全假定在竖直方向隧道直径范围内的桩侧摩阻力全部损失，对逸仙路和3号线在盾构穿越后进行了总体桩基承载力的重新验算，结果见表5。

由此可见，在对桩基采取MJS加固1.2 m宽的保护措施后，盾构往返穿越2个高架桩基，地面沉降得到了有效控制，同时也保证了桩基的承载力能够满足目前上部运营荷载的要求。

表4 各土层侧阻力和端阻力建议值Table 4 Lateral resistance and end resistance value of soils

表5 盾构穿越后桩基承载力验算Table 5 Check computation of pile bearing capacity

4 实测数据分析

以保护要求较高的轨交3#线为例，高架测点布置共在4个桥墩上，共7个测点，编号依次是QZ1～QZ7。南线盾构穿越轨交3#线高架时，桩基最大上浮8.7 mm，出现在QZ5测点（PII008处），其沉降变化曲线如图6所示。北线盾构穿越3号线高架时，桩基最大上浮13.6 mm，出现在QZ4测点（PII009处），其沉降变化曲线如图7所示。

图6 监测点QZ5的沉降变化曲线Fig.6 Settlement curves of point QZ5

数值分析结果显示，南线穿越轨交3#线高架桩基，引起承台上浮最大值为3.6 mm，发生在3#承台，与QZ5测点所在桥墩一致。北线穿越3#线高架桩基后，引起承台上浮最大值为 2.9 mm，发生在 2#承台，与QZ4测点所在桥墩一致。

图7 监测点QZ4的沉降变化曲线Fig.7 Settlement curves of point QZ4

通过对比可知，出现上浮的桩基位置均一致。考虑到数值分析结果的较理想化因素以及从动态监测数据显示结果来看，盾构在穿越3#线高架桩基时，并未影响到其正常运营，可以认为采用MJS加固措施，起到保护桩基的作用。

5 结 论

（1）在盾构推进过程中控制地层损失率可以有效减少地面沉降。在不采取任何保护措施的前提下，地层损失率从6‰提高到4‰时，地面沉降、承台沉降等均能得到改善。

（2）增加MJS加固宽度从1.2～2.4 m，仅是增加了盾构机对加固体的切削面积，并不能改变盾构机距离桩基净距间的加固范围，增加MJS的加固宽度对桩基和地表沉降的控制效果不显著。

（3）在MJS加固保护措施下隧道开挖产生的地表与桩基沉降得到了有效的控制，盾构穿越后的桩基承载力能够满足上部荷载的要求，通过与实测数据的对比分析，充分说明采用的桩基保护措施达到了预期的效果。

本文研究对施工控制的建议：（1）加密设置地表监测点，并在逸仙路高架桥墩上设置沉降观测点，加强施工监测，利用监测结果指导施工，优化施工参数。（2）根据监测数据合理设置土压力值，减少盾构的超挖和欠挖；降低推进速度，严格控制盾构方向，减少纠偏和对土体的扰动，保证盾构机穿越。（3）盾构施工过程中，采用单液同步注浆工艺，确保浆液填充满盾尾管片与土体间的空隙，注浆量的控制应根据模拟推进的监测数据确定，动态控制地层损失率，及时补充注浆加固。

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